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1、基于无线传感网络的大型结构振动测试系统应用摘要:结构振动测试中,针对大型结构跨度大、监测范围广的特点,集成了基于无线传感器X络(ICA的软硬件系统,在实验室结构模型上进行测试,验证了系统的可行性[6];丁华平,冯兆祥等对基于新型树状结构的无线传感器X络进行了研究,在实验室标准振动台上进行数据测试,得出系统在桥梁结构健康监测中应用的可行性[7]。徐春红,吉林等以Imote2为平台,设计出用于桥梁结构健康监测的无线传感器节点,并在实验室的三维桁架模型上进行结构的损伤识别实验,达到损伤识别效果[8]。GiuseppeAnastasi等在意大利的一
2、座古建筑上布置了无线传感X络节点,监测结构关键构件的应变及结构的加速度振动,为更好的保护建筑提供帮助[9]。SukunKim,ShamimPakzad等在美国的金门大桥上安装了64个无线传感器X络节点,进行环境激励下的振动测试,得出了结构的模态频率及振型,与理论符合的很好[3]。Byung-Kim等采用TIP710CM节点,在一斜拉索大桥上进行振动测试,给出了有线与无线的时程振动信号[10]。 国内外,对无线传感器X络的研究,测试场合多是在实验室内测试,效果很好,在工程应用现场,环境极其复杂,多工种交叉作业频繁,现场施工电梯、大功率电焊机
3、、气割机、风机、振动棒等在使用过程中,产生高频信号,节点与基站间的通信质量是否受这些因素影响,干扰信号是否耦合进观测信号当中,目前暂未看到有相关报道。现场振动测试得到的数据,为设计者改进技术方案、提高设备的鲁棒性提供必要的数据资料,同时,也为以后的试验,积累经验,排除可能的干扰因素,尽量避开干扰源,采集到振动数据,为进一步对数据进行时域分析、频域分析、模态分析,提取结构特征参数,准备数据条件。 2.2无线传感器X络(OEM射频模块,通过2.4GH扩频通信方式,基站接收各个无线节点发射的信号。最终,传感器信号传到远端服务器上显示、存储,采用
4、MATLAB、Labvie处设计了超长悬挑抬升裙楼,形成了一个巨大的“漂浮平台”。抬升裙楼平面尺寸为98×162m,东西向各悬挑36m,南北向各悬挑22m;整个抬升裙楼包括3层主楼层、1层夹层以及可上人的屋顶花园,裙楼高约24m。抬升裙楼采用巨型悬挑钢桁架结构,由6类共14榀主桁架纵横交叉构成如图3所示。 深交所营运中心的结构健康监测,围绕抬升裙楼展开,包括结构施工及运营两个阶段,在此期间,以结构的动力特性及整体安全性为监测重点,主要包括:(1)结构动力特性监测;(2)关键构件应力应变监测;(3)结构变形监测。限于篇幅的限制,只讨论抬升裙
5、楼结构动力特性的振动测试。 3.2振动测试实验方案及实施 现场施工环境复杂,为得到比较纯净的振动信号,选择无施工状态的晚上进行试验,以环境激励方式作为激励源,在抬升裙楼8楼进行测试。采用的压电式加速度传感器,频响范围是0.2～700Hz,最大量程30g;信号调理模块将传感器的电荷信号处理后,转为无线节点所要求的0～5V的电压信号,同时,对信号进行抗混叠滤波、放大处理,以减少噪声信号的干扰。信号调理模块的增益选用100倍,高通、低通滤波器截止频率分别选用0.1Hz、25Hz。为得到比较精确的模态振型,沿着裙楼TR3梁方向,在结构刚性较大的
6、地方选定9个测点,如图4所示。实验分三组,每组4路传感器同步测试,p1测点作为基准参考点,固定不动,其他三路传感器布置到其他测点,第一组实验,测点为p1-p2-p8-p9,第二组实验,测点为p1-p5-p7-p9,第三组实验,测点为p1-p3-p4-p6。抬升裙楼的竖向模态频率比较小,采样频率设为50Hz即可满足要求,数字化后的信号通过2.4GHz无线信道,传到基站,最终进入电脑进行显示、存储。（如图4） 3.3测试结果 按照实验方案布好测点后,开始信号的采集,在测试过程中,遇到两种现象,图5振动信号出现跳变现象,图6的振动信号受到高频
7、信号干扰。经多次试验,发现出现跳变现象的传感器的线缆接头未旋紧,存在松动现象,经处理后,跳变问题得到解决。受到高频干扰的一路信号,给信号调理模块供电的电源于逆变器输出的220V电源,正是在DC/AC的逆变过程中,高频信号耦合进振动信号中。采用正负12V的直流蓄电池供电后,问题得到解决。(如图5图6） 采用MATLAB软件,对采集到的振动信号进行标定、去均值、消除趋势项等预处理操作后,转换为实际的结构振动加速度信号,测点p1和p2的加速度时程图如图7所示。进一步,对数据进行频域分析,得出各测点振动信号的自功率谱,测点p1和p2的自功率谱如图
8、8所示。根据峰值检测法(PeakPicking),找出各个测点自功率谱频谱图上相同峰值的频率[12～13],并与设计院给出的理论计算值进行比较,结果见表1所示,相对误差最大值为1
